芯片物理攻击平台 ChipWhisperer 初探

Z时代
2024-01-10
分类：IT

作者：Yaseng&独抒@伏宸安全实验室

前言

传统基于穷举或纯数学理论层面的分析，对于现代高强度加密算法而言，算力有限导致无法实现穷举，算法的复杂性也无法通过数学工具直接破解，根据近代物理学发展出来的理论，电子设备依赖外部电源提供动力，设备在运行过程中会消耗能量，同时会跟外界环境存在声、光、电、磁等物理交互现象产生，设备本身也可能存在设计薄弱点，通过这些物理泄露或人为进行物理层的修改获取数据，然后运用各类数学工具和模型实现破解。

然而在做物理攻击时，往往需要昂贵的设备，并要具备数学、物理学、微电子学、半导体学、密码学、化学等等多学科的交叉理论知识，因此其技术门槛和攻击成本都很高，目前在刚刚结束的 Blackhat 2018 上，展台上展示了多款 ChipWhisperer 硬件工具,作为亲民型的物理攻击平台，获得了一致的好评。

(图片来源 Newae 官方)

ChipWhisperer Lite 版官方商店售价 $250 ，不管是实验学习，还是实战入门，都是极具性价比的，本文主要介绍主流的一些物理攻击手段，以及对 ChipWhisperer 的初步认知，后续将会据此从理论、原理、实验以及实战等角度详细介绍该平台。

物理攻击

真正的安全研究不能凌驾于真实的攻防场景，对于物联网安全而言，其核心目标是真实物理世界中的各种硬件设备，真实的攻击场景往往发生在直接针对硬件设备的攻击，因此物联网安全的基石在于物理层的安全，而针对物联网物理攻击手段，是当前物联网面临的最大安全风险之一。

物理攻击就是直接攻击设备本身和运行过程中的物理泄露，根据攻击过程和手段可以分为非侵入攻击、半侵入式攻击和侵入式攻击。ChipWhisperer 平台主要用做非侵入式攻击，包括侧信道和故障注入攻击等。

传统密码分析学认为一个密码算法在数学上安全就绝对安全,这一思想被Kelsey等学者在1998年提出的侧信道攻击(Side-channel Attacks,SCA)理论所打破。侧信道攻击与传统密码分析不同,侧信道攻击利用功耗、电磁辐射等方式所泄露的能量信息与内部运算操作数之间的相关性,通过对所泄露的信息与已知输入或输出数据之间的关系作理论分析,选择合适的攻击方案,获得与安全算法有关的关键信息。目前侧信道理论发展越发迅速，从最初的简单功耗分析（SPA），到多阶功耗分析（CPA），碰撞攻击、模板攻击、电磁功耗分析以及基于人工智能和机器学习的侧信道分析方式，侧信道攻击方式也推陈出新，从传统的直接能量采集发展到非接触式采集、远距离采集、行为侧信道等等。

利用麦克风进行声波侧信道

利用软件无线电实施非接触电磁侧信道

故障攻击就是在设备执行加密过程中，引入一些外部因素使得加密的一些运算操作出现错误，从而泄露出跟密钥相关的信息的一种攻击。一些基本的假设：设定的攻击目标是中间状态值；故障注入引起的中间状态值的变化；攻击者可以使用一些特定算法（故障分析）来从错误/正确密文对中获得密钥。

使用故障的不同场景：利用故障来绕过一些安全机制（口令检测，文件访问权限，安全启动链）；产生错误的密文或者签名（故障分析）；组合攻击（故障+旁路）。

非侵入式电磁注入

半侵入式光子故障注入

侵入式故障注入

ChipWhisperer

简介

本系列使用的版本是 CW1173 ChipWhisperer-Lite ，搭载 SAKURA-G 实验板，配合一块 CW303 XMEGA 作为目标测试板。

CW1173 是基于FPGA实现的硬件，软件端基于 python，具有丰富的扩展接口和官方提供的各类 API 供开发调用，硬件通过自带的 OpenADC 模块可以实现波形的捕获，不需要额外的示波器。

板上自带有波形采集端口（MeaSure）和毛刺输出（Glitch）端口，并自带 MOSFET 管进行功率放大。

并提供多种接口触发设置，基本满足一般的攻击需求。

能量攻击

芯片物理结构为许多CMOS电路组合而成，CMOS 电路根据输入的不同电信号动态改变输出状态，实现0或1的表示，完成相应的运算，而不同的运算指令就是通过 CMOS 组合电路完成的，但 CMOS电路根据不同的输入和输出，其消耗的能量是不同的，例如汇编指令 ADD 和 MOV ，消耗的能量是不同的，同样的指令操作数不同，消耗的能量也是不同的，例如 MOV 1 和 MOV 2其能量消耗就是不同的，能量攻击就是利用芯片在执行不同的指令时，消耗能量不同的原理，实现秘钥破解。

常用的能量攻击方式就是在芯片的电源输入端（VCC）或接地端（GND）串联一个1到50欧姆的电阻，然后用示波器不断采集电阻两端的电压变化，形成波形图，根据欧姆定律，电压的变化等同于功耗的变化，因此在波形图中可以观察到芯片在执行不同加密运算时的功耗变化。

CW1173 提供能量波形采集端口，通过连接板上的 MeaSure SMA 接口，就可以对能量波形进行采集，在利用chipwhisperer 开源软件就可以进行分析，可以实现简单能量分析、CPA攻击、模板攻击等。

通过 cpa 攻击 AES 加密算法获取密钥

毛刺攻击

ChipWhisperer 提供对时钟、电压毛刺的自动化攻击功能，类似于 web 渗透工具 Burpsuite ，可以对毛刺的宽度、偏移、位置等等参数进行 fuzz ，通过连接板上的 Glitch SMA 接口，就可以输出毛刺，然后通过串口、web 等获取结果，判断毛刺是否注入成功。

时钟毛刺攻击是针对微控制器需要外部时钟晶振提供时钟信号，通过在原本的时钟信号上造成一个干扰，通过多路时钟信号的叠加产生时钟毛刺，也可以通过自定义的时钟选择器产生，CW1173 提供高达 300MHZ 的时钟周期控制，时钟是芯片执行指令的动力来源，通过时钟毛刺可以跳过某些关键逻辑判断，或输出错误数据。

通过 CW1173 时钟毛刺攻击跳过密码验证

电压毛刺是对芯片电源进行干扰造成故障，在一个很短的时间内，使电压迅速下降，造成芯片瞬间掉电，然后迅速恢复正常，确保芯片继续正常工作，可以实现如对加密算法中某些轮运算过程的干扰，造成错误输出，或跳过某些设备中的关键逻辑判断等等。

对嵌入式设备的电压毛刺攻击

随着物理攻击理论和技术的进步，针对硬件芯片的防护手段也随之提高，芯片物理层的攻防一直在不断角力，现实环境中，能量采集会受到各种噪声因素的干扰，硬件厂商也会主动实施一些针对物理攻击的防护，单纯依靠 ChipWhisperer 平台难以实现真实场景的攻击，因此还需要结合电磁、声波、红外、光子等多重信息，以及对硬件进行修改，多重故障注入，引入智能分析模型等等组合手段，今后会进一步介绍一些基于 ChipWhisperer 的高级攻击方式和实战分析方法。